一種用于零件或模具的增量制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于零件或模具的無模增量制造方法，特別涉及一種用于零件或模具的增量制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]業(yè)已提出的金屬零件的直接增量制造方法(亦稱3D打印、增量制造、快速成形)主要有基于激光束、電子束、等離子束的成形方法。
[0003]選擇性激光燒結(jié)SLS(Selective Laser Sintering)方法適于成形多孔質(zhì)小型復(fù)雜原型，但要使其致密還需后續(xù)浸滲低熔點(diǎn)金屬及熱等靜壓。改良了的選擇性激光熔化SLM(Selective Laser Melting)方法，雖提高了成形密度，但往往仍需后續(xù)熱等靜壓才能達(dá)到致密化，從而增加了制造難度、時(shí)間和成本，且SLS和SLM 二者皆因采用層層鋪粉的方式而難以制造功能梯度材料(FGM)零件。
[0004]高致密金屬零件或模具的無模熔積成形方法主要有大功率激光熔積成形、電子束自由成形以及等離子熔積成形的方法。大功率激光熔積成形方法是采用大功率激光，逐層將送到基板上的金屬粉末熔化，并快速凝固熔積成形，最終得到近終成形件；該方法成形精度較高，工件的密度遠(yuǎn)高于選擇性激光燒結(jié)件，但成形效率、能量和材料的利用率不高、不易達(dá)到滿密度、設(shè)備投資和運(yùn)行成本高，見A.J.Pinkkerton, L.Li, Effects of Geometryand Composit1n in Coaxial Laser Deposit1n of316L Steel for Rapid Protyping, Annalsof the CIRP，Vol.52，1 (2003)，pl81_184。電子束自由成形方法采用大功率電子束熔化粉末材料，根據(jù)計(jì)算機(jī)模型施加電磁場，控制電子束的運(yùn)動(dòng)，逐層掃描直至整個(gè)零件成形完成；該方法成形精度較高、成形質(zhì)量較好，然而其工藝條件要求嚴(yán)格，整個(gè)成形過程需在真空中進(jìn)行，致使成形尺寸受到限制，設(shè)備投資和運(yùn)行成本很高；且因采用與選擇性燒結(jié)相同的層層鋪粉方式，難以用于FGM零件的成形，見Matz J.E., EagarT.ff.Carbide format1nin Alloy718during electron—beam solid freeform fabricat1n.Metallurgical andMaterials Transact1ns A:Physical Metallurgy and Materials Science, 2002, v33 (8):P2559-2567。等離子熔積成形方法是采用高度壓縮、集束性好的等離子束熔化同步供給的金屬粉末或絲材，在基板上逐層熔積成形金屬零件或模具的方法，比大功率激光成形法的效率、能量和材料利用率高，易于獲得滿密度，設(shè)備和運(yùn)行成本遠(yuǎn)低于前兩者，但因弧柱直徑較前兩者大，成形精度不及前兩者，故與大功率激光熔積成形方法相似，大都要在成形完后進(jìn)行精整加工，見 Ha1u Zhang, Jipeng Xu, Guilan Wang, Fundamental Study onPlasma Deposit1n Manufacturing, Surface and Coating Technology, v.171 (1-3), 2003,PP.112?118 ;以及張海鷗，吳紅軍，王桂蘭，陳競，等離子熔積直接成形高溫合金件組織結(jié)構(gòu)研究，華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，v33,nll,2005,p54-56。然而，直接成形的難加工材料零件因急冷凝固使表面硬度增大，導(dǎo)致加工非常困難；形狀復(fù)雜的零件還需多次裝夾，致使加工時(shí)間長，有時(shí)甚至要占整個(gè)制造周期的60 %以上，成為高性能難加工零件低成本短流程生長制造的瓶頸。為此，出現(xiàn)了等離子熔積成形與銑削加工復(fù)合無?？焖僦圃旆椒?，即以等離子束為成形熱源，在分層或分段熔積成形過程中，依次交叉進(jìn)行熔積成形與數(shù)控銑削精加工，以實(shí)現(xiàn)短流程、低成本的直接精確制造，見ZL00131288.X，直接快速制造模具與零件的方法及其裝置；以及張海鷗，熊新紅，王桂蘭，等離子熔積/銑削復(fù)合直接制造高溫合金雙螺旋整體葉輪，中國機(jī)械工程，2007，Voll8，N0.14:P1723?1725。
[0005]以上三種方法中，大功率激光熔積成形法和等離子成形法皆為無支撐地熔積成形復(fù)合材料零件的方法。與電子束成形、選擇性激光燒結(jié)，以及采用低熔點(diǎn)的紙、樹脂、塑料等的 LOM(Laminated Object Manufacturing 紙疊層成形)、SLA(StereolithographyApparatus光固化成形),FDM(Fused Deposit1n Modeling熔絲沉積制造)等有支撐的無模堆積成形的方法相比，避免了成形時(shí)因需要支撐而須添加和成形后須去除支撐材料導(dǎo)致的材料、工藝、設(shè)備上的諸多不利，減少了制造時(shí)間，降低了成本，并可成形FGM零件，但同時(shí)也因無支撐而在有懸臂的復(fù)雜形狀零件的成形過程中，熔融材料在重力作用下可能產(chǎn)生下落、流淌等現(xiàn)象，導(dǎo)致難以熔積成形。等離子熔積銑削復(fù)合制造方法雖通過分層的成形和銑削精整，降低了加工復(fù)雜程度，但對(duì)于側(cè)面帶大傾角尤其是橫向懸角部分的復(fù)雜形狀零件，堆積成形時(shí)因重力產(chǎn)生的流淌甚至塌落仍不能避免，以至無法橫向生長成形。
[0006]為此，美國Michigan大學(xué)、Southern Methodist大學(xué)、新加坡國立大學(xué)等一些國外研究機(jī)構(gòu)研究采用變方向切片技術(shù)，選擇支撐條件最多的方向作為零件成形主方向，或?qū)?fù)雜形狀零件分解成若干簡單形狀的部件依次成形的方法；或開發(fā)五軸無模成形加工設(shè)備和軟件，使熔融成形材料盡可能處于有支撐的條件下，見P.Singh,
D.Dutta, Mult1-direct1n slicing for layered manufacturing, Journal of Computingand Informat1n Science and Engineering, 2001, 2, pp: 129-142 ； Jianzhong Ruan, Todd
E.Sparks, Ajay Panackal et.al.Automated Slicing for a Multiaxis Metal Deposit1nSystem.Journal of Manufacturing Science and Engineering.APRIL2007, Vol.129.pp:303—310:R.Dwivedi, R.Kovacevic, An expert system for generat1n of machine inputsfor laser-based mult1-direct1nal metal deposit1n, Internat1nal Journal ofMachine Tools&Manufacture, 46 (2006), pp: 1811-1822。米用五軸加工技術(shù)，雖可改善生長成形的支撐條件，避免材料下落，但將導(dǎo)致空間干涉檢驗(yàn)和成形路徑規(guī)劃復(fù)雜，軟件編程與加工時(shí)間長、難度大，有效工作空間受限，設(shè)備投資和運(yùn)行成本增加，而且對(duì)于復(fù)雜形狀零件仍難以從根本上解決因重力造成的流淌等問題，致使零件成形精度不高，尺寸規(guī)格和形狀復(fù)雜程度受到限制。
[0007]此外，航空航天、能源動(dòng)力等行業(yè)對(duì)零部件的組織性能及其穩(wěn)定性的要求很高，現(xiàn)有無模增量制造方法因其急速加熱、快速凝固和自由生長成形的特點(diǎn)，成形過程中的開裂難以避免，組織性能及其穩(wěn)定性尚不能滿足要求。以上諸問題已成為制約高能束直接增量成形技術(shù)能否進(jìn)一步發(fā)展和實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用所急需解決的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸問題。因此，制造業(yè)急需開發(fā)在復(fù)雜形狀零件的無支撐、無模熔積成形過程中，可有效防止熔融層積材料下落、流淌、開裂并提高制造精度和改善組織性能的新方法。
[0008]現(xiàn)有國內(nèi)外高能束金屬零件增量成形技術(shù)存在的以下3個(gè)瓶頸問題:(1)因缺失傳統(tǒng)制造中關(guān)鍵的鍛造環(huán)節(jié)，致使熱裂或變形難以避免、疲勞強(qiáng)度等組織性能指標(biāo)尚難達(dá)到鍛件水平；(2)成形效率低；(3)成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提供一種用于零件或模具的增量制造方法，解決現(xiàn)有零件與模具的無模熔積增量成形過程中，因反復(fù)急熱急冷導(dǎo)致的成形件易開裂、變形和殘余應(yīng)力大、組織性能不足且不穩(wěn)定，以及熔融材料因重力作用而產(chǎn)生流淌、下落、坍塌的問題。
[0010]本發(fā)明所提供的一種用于零件或模具的增量制造方法，包括生成數(shù)控代碼步驟和增量成形步驟；(1)生成數(shù)控代碼步驟:根據(jù)零件或模具的三維CAD模型分層切片數(shù)據(jù)以及各層切片的尺寸和形狀，進(jìn)行成形加工路徑規(guī)劃，生成各層切片成形數(shù)控代碼和各層切片加工數(shù)控代碼；(2)增量成形步驟:采用熔積成形的增量制造方式，按照各層切片成形數(shù)控代碼指定的軌跡，在基體上將熔積成形材料逐層熔積成形；其特征在于:
[0011 ] 所述增量成形步驟中，在基體上將熔積成形材料逐層熔積成形的同時(shí)，逐層進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓縮成形:
[0012]旋轉(zhuǎn)壓頭在當(dāng)前層的軟化半凝固區(qū)域，緊隨成形熱源或加熱裝置同步移動(dòng)，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓縮加工，將當(dāng)前層壓縮成形；
[0013]或者，旋轉(zhuǎn)壓頭在當(dāng)前層的已凝固區(qū)域，沿熔積成形軌跡移動(dòng)，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓縮加工，將當(dāng)前層壓縮成形。
[0014]所述的用于零件或模具的增量制造方法，其特征在于:
[0015]所述增量成形步驟中，各層進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓縮成形后，各層再采用銑削或研磨，以達(dá)到尺寸和表面精度的要求；或者完成多層增量成形后，將多層表面一并銑削或研磨，以達(dá)到尺寸和表面